机器人技术在矿山中的应用
摘要 机器人技术已经广泛应用于各种领域，矿山机器人在井下的作用也越来越变得重要，文章主要列出以及简要的介绍了机器人技术在煤矿采掘、凿岩、喷浆、巡检、抢险救灾这几个方面的应用。
主题词 机器人 技术 矿山应用
前言
我国是产煤大国，现年产量近38亿吨而居世界首位。我国又是以煤炭为第一能源的国家，近年来，随着国家经济的发展，对煤炭的需求量也在逐年增加，但由于煤炭生产多是在井下作业，井下环境恶劣、条件复杂、灾害严重。在井下采煤工作面以及掘进巷道，往往伴随着粉尘、潮湿、振动、噪声，甚至辐射等严重的环境污染问题。而且，这些施工作业不仅劳动强度大，有时还会使操作人员遭遇冒顶、透水、瓦斯爆炸、瓦斯突出等危险。
矿山中的机器人
伴随着经济和科技的飞速进步，机器人技术越来越广泛地应用到各种领域中开发未知及不确定环境。目前,国际上的机器人学者从应用环境出发将机器人分为2 类,即制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人,这和我国的分类是一致的。而煤矿机器人属于非制造环境下的特种机器人,也可称机器人化机器。根据井下作业的特殊条件和特点,机器人在煤矿中的应用主要有采掘、凿岩、喷浆、巡检、抢险救灾。
①采掘机器人
在采煤工作面会有采煤和移架产生的大量煤尘，而煤尘具有爆炸性就会存在隐患。煤层中溢出的瓦斯也具有威胁性。以及顶板支护处理不当则会造成冒顶事故。可以说采煤工作面的工作环境是十分恶劣和危险的，还是不太适宜人类工作。因此,采用通过采掘设备加装智能控制单元构成的遥控机器人进行煤层的采掘是不错的方法。这种采掘机器人可以应用现有合适的采掘设备通过加装有合适光源和视觉、听觉、振动等传感器,经处理单元人工智能化处理,进行自主采掘作业。
②凿岩机器人
巷道掘进是现代煤矿大规模基础设施建设中的一项难度大、耗资耗时多、劳动条件差但又十分关键、十分重要的施工作业。隧道开挖一般采用掘进法和钻爆法，但是这两种方法都没能达到经济效益最好的效果。随后,世界上几乎所有的发达国家都推出了具有机器人特征的半自动计算机辅助凿岩台车和全自动凿岩台车,也就是凿岩机器人。由于这类凿岩机器人主要用于隧道的开挖,所以将它称为巷道凿岩机器人。这种机器人可以利用传感器来确定巷道的上缘,这样就可以自动瞄准巷道缝,然后把钻头按规定的间隔布置好,钻孔过程用微机控制,随时根据岩石硬度调整钻头的转速和力的大小以及钻孔的形状,这样可以大大提高生产率,人只要在安全的地方监视整个作业过程就行了。以我国为例，中南大学何清华教授率领的科研团队，在上世纪80年代就开始了对凿岩机器人的研究，于2000年成功开发出具有国际先进水平的我国第一台隧道凿岩机器人（如图1）。
圈1 隧道凿岩机器人
③喷浆机器人
喷浆支护是国内近几十年来大力推广应用的一种巷道支护新工艺。与传统的木材、钢梁支护方法相比,喷浆支护不仅节省大量木材和钢材,而且具有施工速度快、支护效果好等优点。但人工喷浆却存在严重不足：喷浆作业时，混凝土回弹率高达30%-50%，即大量混凝土弹落回地面，造成材料的严重浪费；作业现场粉尘飞扬，严重危害工人健康；大断面隧道高度一般在6-10米，甚至更高，人工喷浆时需要脚手架，这样不仅施工速度慢，而且费工、费料，作业效率低；工程质量难以控制。喷浆机器人可用于一切需要喷浆的工程中。采用喷浆机器人不仅可以提高喷涂质量,也可以将人从恶劣和繁重的作业环境中出来。
④瓦斯、地压、粉尘、风速巡检机器人
瓦斯、粉尘和冲击地压是井下作业中的3个不安全的因素,一旦发生突然事故,是相当危险和严重的。但瓦斯和冲击地压在形成突发事故之前,都会表现出种种迹象,如岩石破裂等。采用带有专用新型传感器的移动式巡检机器人,可连续监视采矿状态,便于及早发现事故突发的先兆,采取相应的预防措施。还有巡检时随时记录巷道的风速并发到主机电脑，发现巷道有漏风或是风速不够，马上做出反应，采取措施。
⑤抢险救灾机器人
近年来我国的矿难事故越来越频繁，死亡人数越来越多，一方面是由于安全生产存在隐患，另一方面也由于救援工作不及时，或由于存在着救援过程中的矿井再次坍塌、瓦斯爆炸等危险延误了救援工作，所以应用完善的救援机器人进行矿井救援，协助救护人员深入矿井，完成有一定危险性的救援工作，救出被困的矿井工人，将伤亡人数降到最少。煤矿救灾机器人采用自主避障和遥控引导相结合的行走控制方式,能够深入事故矿井探测前方的火灾温度、瓦斯浓度、灾害场景、呼救声讯等信息,并实时回传现场信息和图象,为救灾指挥人员提供重要的现场灾害信息。同时,搜救机器人上携带了急救药品、食物、生命维持液和简易自救工具,以协助被困人员实施自救和逃生。国内，2006 年 6 月，中国矿业大学可靠性工程与救灾机器人研究所研制的CUMT-Ⅰ型矿井搜救机器人，是我国第一台用于煤矿救援的机器人（如图2） 。
图2 CUMT-Ⅰ型矿井搜救机器人
结语
随着机器人研究的不断深入和发展,煤矿机器人的应用领域将越来越宽,经济效益和社会效益也会越来越显著。考虑到社会上对煤炭需求量日益增长的趋势，煤炭开采的恶劣环
境以及机器人发展的趋势，将机器人引入到煤炭开采过程势在必行。在这种趋势下，不久将来煤矿将实现无人化矿井。
参考文献
1、矿山搜寻机器人行走机构运动系统的研究
赵明辉 闫东 李全 韩君飞 郝立平 贾瑞清
（煤炭科学研究总院上海分院，上海 中国矿业大学(北京)机电学院，北京）
2、总线及其在喷浆机器人中的应用
周风余 李贻斌 李彩虹 尹燕芳 肖海荣
（山东科技大学机器人研究中心 济南交通专科学校电系）
3、地下矿机器人技术发展趋势与前景
教授、博士 B．科纽赫 博士 G．安费罗夫
（俄罗斯科学院煤炭研究所）
4、机器人技术在工程机械行业中的应用及关键技术的探讨
管荣根 傅伟 顾玲
（扬州大学机械工程学院）
5、机器人与全矿山自动化
李东晓 黎彦学
（天地(常州) 自动化股份有限公司北京研究中心,北京 甘肃兰州）
6、智能机器人的发展及其在矿山的应用
许世范
（中国矿业大学自动化系）
甘肃兰阿煤业有限责任公司,
